12-18X射線與斷層成像課件

1、第十二章 X射線與斷層成像 （X-ray and Tomography）第十二章 X射線與斷層成像X 射線透視X 射線攝影X線計(jì)算機(jī)斷層成像（X-CT）X 射線透視X 射線攝影X線計(jì)算機(jī)斷層成像（X-CT） X射線的產(chǎn)生及其性質(zhì) 物質(zhì)對(duì)X射線的吸收 X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 X-CT主要內(nèi)容與要求難點(diǎn)： X-CT重點(diǎn)： X射線的產(chǎn)生及其性質(zhì) X射線的產(chǎn)生及其性質(zhì) 物質(zhì)對(duì)X射線的吸收 X射線在醫(yī)學(xué)上的第一節(jié) X射線的產(chǎn)生及其性質(zhì) Production and Properties of X-ray德國慕尼黑伍爾茨堡大學(xué)（1895年11月8日傍晚）一種新的射線初步報(bào)告（1895年12月28日）獲首個(gè)諾

2、貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（1901年）Dec. 22, 1895第一節(jié) X射線的產(chǎn)生及其性質(zhì)德國慕尼黑伍爾茨堡大學(xué)（18951.本質(zhì)高頻電磁波頻率：波長：一、X射線的產(chǎn)生具有波粒二相性臨床：1.本質(zhì)高頻電磁波頻率：波長：一、X射線的產(chǎn)生具有波粒二相性有高速運(yùn)動(dòng)的電子流；有阻止電子運(yùn)動(dòng)的合適障礙物（靶）?；緱l件：2.X射線的產(chǎn)生 高速運(yùn)動(dòng)粒子流與原子的內(nèi)層電子或原子核相互作用產(chǎn)生。有高速運(yùn)動(dòng)的電子流；有阻止電子運(yùn)動(dòng)的合適障礙物（靶）?；緱l加速中的高能帶電粒子直接輻射X射線（固體靶源）同步輻射等離子體源核反應(yīng)加速中的高能帶電粒子直接輻射X射線（固體靶源）同步輻射等離子3. X射線發(fā)生裝置3. X射線發(fā)生裝

3、置管電流管電壓X射線管X射線管包括三部分：X射線管、高壓電源及低壓電源管電流管電壓X射線管X射線管包括三部分：X射線管、高壓電源及（1）陰極發(fā)射熱電子的地方(一般由鎢絲制成)。（2）陽極（靶）使電子突然減速并發(fā)出X射線 的地方（一般由鎢、鉬制成）。（3）窗口X射線從陽極射出放的通道。陰極陽極窗口（1）陰極發(fā)射熱電子的地方(一般由鎢絲制成)。（2）陽極陽極（靶-鎢W、鉬Mo）水冷或油冷靶旋轉(zhuǎn)高熔點(diǎn)的重金屬間斷工作 高速粒子撞擊陽極靶時(shí)，僅有1%的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為X射線的動(dòng)能，其余部分轉(zhuǎn)化為熱能。陽極（靶-鎢W、鉬Mo）水冷或油冷靶旋轉(zhuǎn)高熔點(diǎn)的重金12-18X射線與斷層成像課件1.X射線的強(qiáng)度和硬度 單

4、位時(shí)間內(nèi)通過與射線方向垂直的單位面積的輻射能量。（1） 強(qiáng)度（Intensity）或 X射線的量（Quantity）表示頻率為 的光子數(shù)目。光子數(shù)N二、X射線的性質(zhì)單位:增加X射線強(qiáng)度的兩個(gè)決定因素常用一定管電壓下管電流的mA數(shù)間接表示光子能量數(shù)hv1.X射線的強(qiáng)度和硬度 單位時(shí)間內(nèi)通過與射線方向垂直的單位（2）硬度（Hardness） 指X射線的穿透本領(lǐng)，只取決于X射線的波長，即光子的能量，與光子數(shù)目無關(guān)。 常用管電壓的kV數(shù)來間接表示X射線的硬度也稱為X射線的質(zhì)（Quality）僅與管電壓有關(guān)，管電壓X射線的硬度 X射線按硬度分類名 稱管電壓(kV)最短波長(nm)主要用途極軟X射線 52

5、00.250.062軟組織攝影等軟X射線 201000.0620.012透視和攝影硬X射線 1002500.0120.005較深組織治療極硬X射線 250以上0.005以下深部組織治療（2）硬度（Hardness） 指X射線的穿透本領(lǐng)，只2.X射線的的基本性質(zhì)電離作用X射線照射能使分子或原子電離 對(duì)有機(jī)體可誘發(fā)各種生物效應(yīng)，破壞或改變生物功能，可用于治療某些疾病，但也有損壞作用，要對(duì)X射線進(jìn)行防護(hù)。熒光作用X射線照射某些物質(zhì)能使其發(fā)出熒光 將ZnSO4、鉑氰化鋇、鎢酸鈣、磷等物質(zhì)涂在紙板上可構(gòu)成熒光屏。2.X射線的的基本性質(zhì)電離作用X射線照射能使分子或原子電貫穿本領(lǐng)對(duì)各種物質(zhì)都有一定的貫穿作用

6、 物質(zhì)對(duì)X射線的吸收與X射線波長有關(guān)，也決定于物質(zhì)的原子序數(shù)或密度。人體密度不同（或Z），呈現(xiàn)強(qiáng)度強(qiáng)弱的空間分布，用于透視照相。光化作用X射線照射可使物質(zhì)發(fā)生光化反應(yīng)使照相底版感光，記錄X射線譜強(qiáng)度。貫穿本領(lǐng)對(duì)各種物質(zhì)都有一定的貫穿作用 物質(zhì)對(duì)X射線三、X射線譜把X射線強(qiáng)度與波長的關(guān)系曲線稱為X射線譜。連續(xù)X射線譜線狀譜三、X射線譜把X射線強(qiáng)度與波長的關(guān)系曲線稱為X射線譜。連續(xù)X （1）標(biāo)識(shí)譜(特征譜)（Characteristic Spectrum） 特點(diǎn)：強(qiáng)度較大且具有特定波長，反映出靶材料的原子特征。內(nèi)層電子被激發(fā)，從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)形成。 （1）標(biāo)識(shí)譜(特征譜)（Characteri

7、stic Sp （2）連續(xù)譜（Continuous Spectrum） 波長連續(xù)分布。靶材料的原子序數(shù)愈大，管電壓愈高，連續(xù)射線的強(qiáng)度愈強(qiáng)。由軔致輻射（Bremsstrahlung）產(chǎn)生連續(xù)譜的最短波長電子受原子核強(qiáng)電場作用失去能量轉(zhuǎn)換為光子的過程。 （2）連續(xù)譜（Continuous Spectrum） 第二節(jié) 物質(zhì)對(duì)X射線的吸收X-ray Absorption by Materials一、單能窄束X射線的吸收規(guī)律 單色窄束X射線吸收遵從朗伯定律稱為線性吸收系數(shù) 第二節(jié) 物質(zhì)對(duì)X射線的吸收一、單能窄束X射線的吸收規(guī)律 二、半價(jià)層（Half Value Layer） X射線在某種物質(zhì)中強(qiáng)度被吸

8、收一半所對(duì)應(yīng)的物質(zhì)厚度。三、吸收系數(shù)（Absorption Coefficient）-物質(zhì)的原子序數(shù) -質(zhì)量吸收系數(shù) 二、半價(jià)層（Half Value Layer） 第三節(jié) X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用The Application of X-ray in Medicine一、診斷X射線透視（X-ray Fluoroscopy） 第三節(jié) X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用一、診斷X射線透視（X-ra優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)： 可任意轉(zhuǎn)動(dòng)體位，易于對(duì)某些器官的功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)、多角度的觀察；簡單、快捷、費(fèi)用低。 分辨率低；對(duì)病變沒有記錄，不利于討論、研究及復(fù)查對(duì)比。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)： 可任意轉(zhuǎn)動(dòng)體位，易于對(duì)某些器官的功能進(jìn)行X射線攝影術(shù)（R

9、oentgenography）X射線攝影術(shù)（Roentgenography）二、治療 X射線對(duì)生物組織細(xì)胞有破壞作用，尤其是對(duì)分裂活動(dòng)旺盛或正在分裂的細(xì)胞，其破壞力更強(qiáng)。 腫瘤細(xì)胞自身分裂活躍，它對(duì)X射線的敏感性比發(fā)育成熟的正常細(xì)胞更為強(qiáng)烈。 利用X射線可以對(duì)腫瘤組織起到抑制、破壞或殺死作用。二、治療 X射線對(duì)生物組織細(xì)胞有破壞作用，尤其是對(duì)分裂1.X射線治療機(jī) 由X射線管發(fā)出的X射線需經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直再照射腫瘤部位。 X射線治療機(jī)由X射線管、高壓發(fā)生器、三維移動(dòng)機(jī)架及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。分為接觸治療機(jī)、淺層治療機(jī)和深部治療機(jī)1.X射線治療機(jī) 由X射線管發(fā)出的X射線需經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)2.X刀（X射線

10、立體定向放射治療系統(tǒng)，光子刀）治療癌癥：X射線對(duì)人體組織的電離作用，直接破壞 細(xì)胞，尤其對(duì)分裂旺盛的癌細(xì)胞。刀-21世紀(jì)治療腫瘤新技術(shù)準(zhǔn)確的定位較大的“焦皮比”單位體積內(nèi)病變組織與健康組織所受的劑量之比100/1。使射線的焦點(diǎn)準(zhǔn)確地定位與病灶點(diǎn)。2.X刀（X射線立體定向放射治療系統(tǒng)，光子刀）治療癌癥：X射X-刀比-刀更適用于更大的顱內(nèi)病灶功能性疾病（帕金森、癲癇、三叉神經(jīng)疼等）X-刀的適應(yīng)病癥：腦血管疾?。B內(nèi)動(dòng)靜脈畸形、動(dòng)靜脈瘤等）顱內(nèi)腫瘤（垂體瘤、聽神經(jīng)瘤、腦膜瘤等) 在治療過程中，病人無出血、無感染、無痛苦。X-刀比-刀更適用于更大的顱內(nèi)病灶功能性疾病（帕金森、癲癇美國Varian 23

11、EX醫(yī)用電子直線加速器：包括普通放療、三維適形放療（3D-CRT）、適形調(diào)強(qiáng)放療（IMRT）、X-刀治療美國Varian 23EX醫(yī)用電子直線加速器：包括普通放療、三、防護(hù) X射線能夠引起生物效應(yīng)，過量的照射可以引起損傷（機(jī)體本身和遺傳損傷）。 時(shí)間防護(hù)-縮短受照射時(shí)間 距離防護(hù)-增加到X射線源的距離 屏蔽防護(hù)-使用鉛板、含鉛玻璃、含鉛膠皮裙 和手套以及混凝土等。三、防護(hù) X射線能夠引起生物效應(yīng)，過量的照射可以引起損 第四節(jié) X-CT（X射線計(jì)算機(jī)斷層成像） X-ray Computed Tomography亨斯菲爾德和科馬克獲1979年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。 G. N. Hounsfield

12、 A. M. Cormack 英國：亨斯菲爾德（Hounsfield）1969年發(fā)明1971年9月第一臺(tái)頭顱CT機(jī)問世1972年11月公布于世1974年美國工程師設(shè)計(jì)出全身CT機(jī)美國：科馬克（Cormack） -1950年提出投影重建算法，并進(jìn) 行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究 第四節(jié) X-CT（X射線計(jì)算機(jī)斷層成像） 亨斯菲爾德和科12-18X射線與斷層成像課件利用投影數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)方法重建圖像。投影是用X射線照射病人，投影于與射線方向垂 直的平面上。數(shù)據(jù)是組織對(duì)X射線的吸收值重建圖像是將吸收值轉(zhuǎn)化為圖像利用投影數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)方法重建圖像。投影是用X射線照射病人，12-18X射線與斷層成像課件X-rayC

13、T無前后影像重疊，密度分辨力比傳統(tǒng)的X線檢查高10-20倍。X-rayCT無前后影像重疊，密度分辨力比傳統(tǒng)的X線檢查高1一、CT成像的基本原理1.圖像重建的基本思想小塊厚度很小，視為均勻介質(zhì)，并稱為體素(Voxel）。一、CT成像的基本原理1.圖像重建的基本思想小塊厚度很小，視在實(shí)際應(yīng)用中各體素常取同樣厚度，且為單位長度。測出多個(gè)投影數(shù)據(jù)，算出每個(gè)體素的值。 將各體素的值轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)圖像上各像素的灰度。在實(shí)際應(yīng)用中各體素常取同樣厚度，且為單位長度。測出多個(gè)投影數(shù)2.CT值單位為亨以水的吸收系數(shù)為基準(zhǔn) 2.CT值單位為亨以水的吸收系數(shù)為基準(zhǔn) 3.開窗CT機(jī)熒光屏只能分64個(gè)灰度等級(jí)進(jìn)行圖像顯示窗寬(Window Width) 最亮的和最黑的CT值之差窗位(Window Level) 中心CT值開窗可以提高儀器的靈敏度 3.開窗CT機(jī)熒光屏只能分64個(gè)灰度等級(jí)進(jìn)行圖像顯示窗寬(W4.圖像重建的基本方法 第一代CT，斷層為160160=25600個(gè)像素。 （512512矩陣），空間分辨力也提高到0.1mm。掃描時(shí)間可達(dá)到10 4.圖像重建的基本方法 第一代CT，斷層為1601二、CT掃描及其特點(diǎn)第一代CT掃描螺旋型CT掃描 掃描時(shí)間比較長適于局部 掃描時(shí)間比較短適于整體 二、CT掃描及其特點(diǎn)第一代CT掃描螺旋型CT掃描 掃描時(shí)間比特